‫הצעת מחקר לתכנית למערכות אוטונומיות ‪TASP-1023-3‬‬ ‫יולי ‪1023‬‬ ‫צלילת ברווז אוטונומית לשם יציאה לים מול גלי חוף‬ ‫‪Autonomous Duck Dive (ADD) to exit through surf zone‬‬ ‫‪ I‬מבא‬ ‫הזנקת כלי שייט לים מחוף פתוח כרוכה במעבר אזור הגלים הנשברים (‪ .)Surf Zone‬בדרך כלל‬ ‫לכלי שייט אין יכולת הפלגה באזור המשברים (‪ )Surf Zone Capability‬והם יוצאים מנמל מוגן‪ ,‬אשר‬ ‫הפתח שלו מחוץ לתחום המשברים‪ ,‬או מורדים מאניית אם בלב ים‪ .‬עם זאת‪ ,‬כבר קיימים כלי שייט‬ ‫מיוחדים בעלי יכולת תנועה בתחום המשברים‪ .‬לכלי שייט אלו אטימות‪ ,‬יציבות טובה והספק גבוהה‪,‬‬ ‫ולפעמים יכולת להתיישר אחרי התהפכות‪ ,‬כלומר לבצע גלגול שלם (‪ )Roll-Over‬ולהמשיך להפליג‪.‬‬ ‫כל התנועה היא על מימית‪.‬‬ ‫גולשי גלים מצליחים לעבור גלי חוף גבוהים וחזקים בכוח דחף מאד קטן (חתירה בידיים) בשיטה‬ ‫שנקראת צלילת ברווז (‪ .)Duck-Dive‬מתחת לגלים מתרחשת זרימת מים מסלולית‪ .‬טבילה מטה‬ ‫בתזמון ובמקום הנכונים מביאה את הגלשן והגולש למסלול בו הזרימה מאפשרת לו לעבור דרך הגל‬ ‫הנשבר החוצה מהחוף (ראה תמונת המחשה בדף השער שמציגה צילום של גולשת מבצעת צלילת‬ ‫ברווז‪ .‬התמונה מולבשת לשם המחשה על פיתרון נומרי של גלים נשברים שלקוח מ [‪ .)]2‬ניסיון‬ ‫לעבור את הגל הנשבר ללא הטבילה או בטבילה לא מספיק עמוקה או לא מתוזמנת היטב יסתכם‬ ‫בסחיפת הגולש בחזרה לכיוון החוף‪ .‬הגולש המנוסה מתבונן בגל התלול שלקראת שבירה מולו‬ ‫ומחליט על נקודת הטבילה‪.‬‬ ‫רעיון המחקר הוא כי ניתן לפתח כלי שייט שיעבור גלי חוף בכוח דחף קטן יחסית אם יצליח לבצע‬ ‫טבילה מתוזמנת ומכוונת היטב‪ .‬לשם כך אנו מציעים לבצע ניתוח של שדה הזרימה‪ ,‬פיתוח ראית פני‬ ‫מים ושילוב המידע משניהם באלגוריתם החלטה על תזמון ואופן הטבילה‪ .‬סעיפים ‪ II‬ו ‪ III‬מציגים את‬ ‫עקרונות הפיתוח והתכנית המפורטת לשנת המחקר הראשונה בתחום ניתוח שדה הזרימה ובתחום‬ ‫ראיית פני המים בהתאמה‪ .‬סעיף ‪ IV‬מציג מטרות להמשך המחקר בשנה שנייה ושלישית‪ .‬סעיף ‪V‬‬ ‫מציג את צוות המחקר‪.‬‬ ‫‪ II‬פיתוח כלים לניתוח שדה הזרימה בתחום הגלים הנשברים‬ ‫מטרת שלב זה לפתח כלים נומריים לניתוח שדה הזרימה מתחת לגלים נשברים‪.‬‬ ‫פתרון זרימה בגלים בהתקדמותם ממים עמוקים לרדודים עד לשבירה כרוך באנאליזה מספרית‬ ‫מורכבת עם אי ליניאריות חזקה‪ .‬מקובל ומעשי לפתור זרימה זאת בשיטת אלמנט גבול (‪)BEM‬‬ ‫לזרימה פוטנציאלית‪ ,‬בניסוח לגראנג'י עם אי ליניאריות מלאה‪ ]2[ .‬מציג ניסוח מתמטי‪ ,‬ניסוח נומרי‪,‬‬ ‫ופתרונות לתהליך זה בשיטה זאת‪ ,‬עם ניסוח נומרי מקורי ויעיל לפרופיל פני המים‪ .‬מוצג גם רעיון‬ ‫להמשך פיתוח הפיתרון לתחילת השלב שאחרי שבירת פני המים (‪ ]1[ .)Post-Breaking‬מציג‬ ‫מדידות במעבדה של גלים נשברים ושדה הזרימה מתחתם‪.‬‬ ‫משימות מתוכננות לשנה ראשונה‬ ‫‪ .2‬סקר ספרות‬ ‫‪ .1‬פיתוח אלגוריתם להמשך פיתרון התפתחות פני המים בהתקרבות לחוף לפרק זמן (קצר)‬ ‫נוסף אחרי השבירה‪ ,‬כפי הנראה לפי הרעיון שמוצג ב [‪ ,]2‬והוספתו לתכנה שפותחה ב [‪.]2‬‬ ‫‪ .3‬הוספת ‪ Post Processor‬לתכנה שפותחה ב [‪ ]2‬שיפתור ויציג את קווי הזרם מתחת לגלים‪.‬‬ ‫‪ .4‬חקירה פרמטרית והכנת בסיס נתונים לשדה הזרימה מתחת לגל נשבר‪ .‬הפיתרון יהיה דו‬ ‫מימדי וייתן את פרופיל הגל הנשבר והזרימה מתחתיו עבור גלים שמתקדמים בניצב לחוף עם‬ ‫קרקעית גלילית‪.‬‬ ‫‪ III‬פיתוח ראיית פני המים‬ ‫מטרת שלב זה לפתח מערכת ראיית מכונה ועיבוד תמונה שתראה ותנתח את תמונת הגל שמול כלי‬ ‫השייט‪ .‬מתמונה זו אנו מצפים שניתן יהיה להעריך באופן אוטומטי‪ ,‬היכן נמצא כלי השייט יחסית לגל‬ ‫ומהי צורת הגל‪ .‬על סמך שני הפרמטרים האלו ניתן יהיה לקבוע תכנית פעולה לכלי השייט הצולל‪.‬‬ ‫הערכת צורה עבור משטח נוזלי היא משימה מאתגרת‪ .‬בצד האופטימי ניתן לזכור שהייתה התקדמות‬ ‫משמעות בטכניקות מבוססות תמונה להערכה של צורת משטח לעצמים קשיחים‪ .‬מצד שני‪ ,‬למשטח‬ ‫הנוזלי יש א פיונים המקשים על הבעיה באופן משמעותי‪ :‬אין בו מאפיינים מקומיים שאחריהם ניתן‬ ‫לעקוב‪ ,‬יש לו תכונות החזרה מסובכות‪ ,‬והדינמיקה שלו מסובכת‪.‬‬ ‫מקורות מידע סנסוריים ואחרים‬ ‫נראה לנו שניתן לגשת למשימה זו תוך שימוש בכמה מקורות מידע ואנו מתכוונים לבדוק את כולם‬ ‫ולשלב ביניהם‬ ‫‪ .2‬צורת הגל – כאן הכוונה לאפיון הגל‪ ,‬מצידו הקרוב לחוף‪ ,‬כמשטח תלת ממדי‪ ,‬ומציאה של‬ ‫משטח זה על סמך חישה ראייתית‪ .‬ניתן לגשת למשימה זו בכמה טכניקות המקובלות עבור‬ ‫גופים קשיחים ואטומים (לא רפרקטיביים)‪ ,‬כמו ראיית סטריאו (תוך שימוש בשתי מצלמות או‬ ‫יותר)‪ ,‬שחזור מתוך התמקדות (‪ ,(focus‬ואפילו תוך שימוש בתנועה ושטף אופטי (תוך שימוש‬ ‫במספר תמונות עוקבות מאותה מצלמה)‪ .‬בסוג זה של מידע ניתן להכליל גם מידע ויזואלי‬ ‫דינמי המושג מתוך צילום סדרת תמונות (ווידאו) של גל מתקרב והערכת מיקום נקודות‬ ‫השבירה וזמנה מראש‪.‬‬ ‫‪ .1‬קו השבירה ‪ -‬האפיון כמשטח נראה לא מתאים לחלק העליון של הגל בו מתרחשת כבר‬ ‫שבירה והגל מתפרק לאוסף של "עצמים" לא קשורים‪ .‬מצד שני אזור זה חשוב כדי לדעת את‬ ‫המיקום ואת צורת הגל‪ .‬לכן נראה שכדאי לנסות לגלות את מיקום קו השבירה לצורך החלטת‬ ‫הצלילה‪.‬‬ ‫‪ .3‬מידע מחיישנים אחרים – הן צורת הגל והן מיקום קו השבירה נמדדים באופן ראייתי על ידי‬ ‫המצלמה ולכן מיקומם נתון במערכת הקואורדינטות של המצלמה‪ .‬לכן‪ ,‬ככל הנראה יש‬ ‫למדוד את המיקום הזה‪ ,‬בעזרת מדידים אינרציאליים‪ ,‬פלס‪ ,‬וכיוב‪ .‬כדי שנוכל להעריך את‬ ‫מיקום הגל וצורתו במערכת העולם או לפחות במערכת שאינה מסובבת יחסית אליו‪.‬‬ ‫המדידים האלו המעריכים את מיקום כלי השיט וזוויות הנטיה שלו‪ ,‬כמו גם את התאוצות‬ ‫הכרוכות בהן‪ ,‬יכולים לשמש כספקי מידע תומך לצורך החלטת הצלילה‪ ,‬ולא רק מידע לצורך‬ ‫תיקון מערכת הקואורדינטות‪.‬‬ ‫‪ .4‬מידע אפריורי לגבי צורת הגלים – גל מטבע היותו‪ ,‬אינו יכול לקבל צורה כלשהיא )‪,(arbitrary‬‬ ‫אלא הוא מוגבל לצורות מסוימות שמקיימות את חוקי הטבע‪ .‬ההסקה של הצורה נעשית‬ ‫פשוטה יותר אם הצורה מוגבלת למספר אפשרויות או פרמטרית‪ .‬התפתחות משטח פני‬ ‫המים ואופן שבירת הגלים תלויים בפרמטרים של הגלים המגיעים ממים עמוקים ובפרופיל‬ ‫הקרקע המקומי‪ .‬לפיכך הערכת משטח פני המים לגל התוקף את כלי השייט תתבסס על‬ ‫התאמת הפרמטרים הנמדדים לפתרונות הזרימה לפי סעיף ב' בהצעה‪.‬‬ ‫משימות מתוכננות לשנה ראשונה‬ ‫‪.2‬‬ ‫סקר ספרות – ערכנו סקר ספרות ראשוני ומתברר שיש יחסית מעט פרסומים על הערכת‬ ‫הצורה של משטח נוזלי מתוך מדידות ויזואליות‪ .‬חלק גדול מהפרסומים האלו מתייחסים‬ ‫לתנאי מעבדה‪ ,‬ולמדידת גלים בתוך מיכל או תעלה‪ .‬הם נעזרים בשיטות מתאימות להקשר‬ ‫המצומצם הזה‪ ,‬כמו צביעת קרקעית המיכל בפסים והסקת של הגלים מתוך תמונת הפסים‬ ‫המעוותת הנצפית דרך הנוזל [‪ ,]4‬או באופן נפוץ הסתכלות על פרופיל הגל דרך דופן צדדית‬ ‫שקופה [‪ .]3‬שיטות אחרות מסתמכות על השקיפות המלאה של הנוזל‪ ,‬או דוקא להפך‪,‬‬ ‫צובעות אותו כדי לאפשר את שחזור המשטח [‪ .]5‬ברור שלא ניתן להשתמש בשיטות האלו‬ ‫לסביבה טבעית‪ .‬חלק אחר מהפרסומים מתמקד במשימות ספציפיות של גילוי אירוע מסוים‪,‬‬ ‫ונעשו כמה עבודות על זיהוי שחיינים [‪ ,]6‬או התראה על טביעה‪ .‬עם זאת נמצאו כמה מקורות‬ ‫המשתמשים בטכניקות ראיה ממוחשבת כמו ‪ optical flow‬ואפילו ‪shape from shading‬‬ ‫להערכת צורת משטח נוזלי [‪ .]8,7‬בנוסף קיימות עבודות העוסקות בשחזור גופים מחזירים‪,‬‬ ‫היכולות להיות רלוונטיות (למשל עבודה קודמת שלנו [‪ .)]9‬אנו מתכוונים לעשות חיפוש‬ ‫מעמיק‪ ,‬ולבחון את הישימות של המודלים ושל השיטות הקיימות לבעיה שלפנינו‪.‬‬ ‫‪.1‬‬ ‫אפיון החיישנים הנדרשים – כיון שהחישה נעשית מפלטפורמה לא יציבה (כלי שיט)‪ ,‬יש‬ ‫לאפיין את התנאים כך שנוכל לאסוף מידע תמונתי בתנאים רלוונטיים‪ .‬שאלות שיש לענות‬ ‫עליהן הן למשל מה מידת היציבות של כוון המצלמה בכל הצירים ? מה מידת השקיפות של‬ ‫חלון הראיה? מה צורת הגל הצפויה ? ומהי התכיפות ומרווח הזמן בהם סביר לעשות את‬ ‫המדיה ? סעיף זה הוא מרכזי ובו יתבצע במשותף על ידי החוקרים‪ ,‬והוא ידרוש מן הסתם גם‬ ‫ניסויים מתאימים‪.‬‬ ‫‪.3‬‬ ‫איסוף תמונות וסרטי ווידאו – כדי לתכנן מערכת המגיבה בצורה אוטומטית על סמך‬ ‫סנסור ראייתי‪ ,‬יש להבין קודם כל מה ניתן לראות מתוך המצלמה במצבים המיוחדים האלו‪,‬‬ ‫עד כמה ניתן להסיק מסקנות מסוג התמונות המתקבל‪ ,‬לאיזה כיוון כדאי להביט‪ ,‬מהי‬ ‫ההגדלה הרצויה‪ ,‬וכיו"ב‪ .‬לצורך כך אנו מתכוונים לאסוף תמונות בתנאים שונים‪ ,‬החל‬ ‫מתמונות בבריכת גלים וכלה בים עצמו‪ ,‬בתנאים שונים‪.‬‬ ‫‪.4‬‬ ‫פיתוח אלגוריתם ראשון – כמו שתואר לעיל יש כמה אפשרויות ונרצה לבדוק לפחות כמה‬ ‫מהם‪ .‬בראיה ראשונית נראה שאלגוריתם מבוסס תנועה או סטריאו (שהם אלגוריתמים‬ ‫דומים) יתאים לשחזור משטח השפה של הגל‪ .‬אנו מתכוונים לבדוק את אחד האלגוריתמים‬ ‫בשנה הראשונה‪.‬‬ ‫‪.5‬‬ ‫תכנון ראשוני של פלטפורמה נושאת מצלמות – לקראת סוף השנה הראשונה אנו‬ ‫מתכוונים לבצע תכנון ראשוני של מערכת החישה‪ .‬מערכת זו כוללת סנסורים שונים שיש‬ ‫לאפיין ולבחור‪ ,‬והוא תכנון מורכב הכולל תכנון מכני ואלקטרוני של מערכת אטומה עם‬ ‫אפשרות לכוונון חיצוני מוגבל‪ ,‬תכנון מיקום המצלמות‪ ,‬כוון ההסתכלות שלהן‪ ,‬אורך המוקד‪,‬‬ ‫סוג החלון דרכן הן מסתכלות (כיפה עגולה?)‪ ,‬ואינטגרציה של סנסורים נוספים‪.‬‬ ‫‪ IV‬מטרות להמשך המחקר בשנה שנייה ושלישית‬ ‫‪ .2‬פיתרון הנדסי לאופן ביצוע הטבילה (שנה ‪ .)1‬שיטות אפשריות‪ :‬הגה עומק (משטח זרימה) אחורי‬ ‫או קדמי; מילוי וריקון מהיר של מיכל מי נטל; הנפה מהירה של משקל שהיה טבול במים אל מעל‬ ‫המים (זוהי השיטה שמפעיל הגולש)‪.‬‬ ‫‪ .1‬המשך אסוף מידע הכולל הפעם מלבד התמונות וסרטי הווידיאו גם מידע בו זמני המסופק‬ ‫מסנסורים אחרים וגם חיווי אדם‪ ,‬המספק מידע על האפשרות לבצע צלילת ברווז בכל רגע (שנה ‪.)1‬‬ ‫‪ .3‬המשך פיתוח אלגוריתמים לניתוח המידע הוויזואלי‪ ,‬והשוואה תחרותית ביניהם‪ ,‬הן לגבי צורת הגל‬ ‫והן לגבי ההחלטה המיטבית לגבי הצלילה‪ .‬ניתוח תגובתם של סנסורים לא ראייתיים‪ .‬מיזוג (‪)fusion‬‬ ‫בין סנסורים מסוגים שונים (שנה ‪.)1‬‬ ‫‪ .4‬בדיקת עמידות וביצועים של האלגוריתמים – אנו מתכוונים לבדוק את האלגוריתמים בצורה‬ ‫אינטנסיבית‪ ,‬כיאות לאלגוריתמים המכוונים את פעולתה של מערכת אמינה‪ .‬נרצה לבדוק אותם‬ ‫בסביבות שונות‪ ,‬ובתנאי סביבה מגוונים (שנים ‪.)1-3‬‬ ‫‪ .5‬תכנון וביצוע מערכת חישה מבוססת מצלמות – המשך התכנון המכאני והאלקטרוני של מערכת‬ ‫החישה‪ ,‬מימושה‪ ,‬ובדיקתה בנפרד מכלי השייט וגם יחד איתו (שנים ‪.)1-3‬‬ ‫‪ .6‬פיתוח אלגוריתם להחלטה על התזמון והפרמטרים של הטבילה‪ ,‬לפי ניתוח המידע הנראה ולפי‬ ‫פיתרון מוערך של הזרימה מתחת לגל (שנה ‪.)1‬‬ ‫‪ .8‬פיתוח אלגוריתם ומערכת בקרה לביצוע הטבילה מתחת לגל (שנים ‪.)1-3‬‬ ‫‪ .7‬תכן אינטגראלי ופיתוח מודל למדגים טכנולוגי של כלי שייט זרמי ואטום גם בחלק העל מימי‪ ,‬עם‬ ‫ציפה שיורית נמוכה ויכולת טבילה תת ימית במסלול מבוקר למספר שניות (שנה ‪.)3‬‬ ‫‪ .9‬הדגמה בתעלת גלים (שנה ‪.)3‬‬ ‫צוות המחקר‬ ‫נתאי דרימר‪ ,‬הפקולטה להנדסת מכונות – יעסוק בפתרון וניתוח שדה הזרימה בגלים‪ ,‬האנאליזה‬ ‫המכאנית והאינטגרציה לתכן הקונספט‪.‬‬ ‫מיכה לינדנבאום‪ ,‬הפקולטה למדעי המחשב – יעסוק בפיתוח ראיית מכונה ועיבוד תמונות זיהוי פני‬ ‫המים ולמידה‪.‬‬ ‫תמר אברהם‪ ,‬חוקרת בכירה במעבדה למערכות נבונות בפקולטה למדעי המחשב‪ ,‬בעלת תואר‬ ‫שלישי ומומחית בראיה ממוחשבת – תעסוק במחקר בנושא הערכת צורת הגל בשיתוף עם התלמיד‪.‬‬ ‫נתיב שחק – מהנדס מכונות בוגר הטכניון‪ ,‬תואר ראשון ושני כפול (הנדסת מכונות ומנהל עסקים)‪,‬‬ ‫עם ניסיון תכן ופיתוח הנדסי בחיל הים ענף הנדסה ימית‪ ,‬רפאל (בין השאר מוביל מכאני של פרויקט‬ ‫כלי שייט בלתי מאויש פרוטקטור‪ ,‬ראש מחלקה הנדסית)‪ ,‬אלביט (מנהל הנדסה באלביט מערכות‬ ‫יבשה)‪ .‬יבצע מחקר לתואר דוקטור בנושא פתרון הזרימה מתחת לגלים נשברים‪ ,‬חקירה פרמטרית‬ ‫והכנת בסיס נתונים לשדה הזרימה מתחת לגל נשבר‪ ,‬אלגוריתם לבחירת המסלול והתזמון לטבילה‪.‬‬ ‫תלמיד נוסף (‪ ,)TBD‬אחד לפחות‪ ,‬לתואר שני ואולי שלישי‪ ,‬שיעסוק במחקר בנושא הערכת צורת‬ ‫הגל מתוך סנסורים ראייתיים‪.‬‬ ‫שיתוף פעולה ‪ -‬הצוות כולל מומחיות בתחומים מגוונים הכוללים את כל האספקטים של הפרויקט‬ ‫לשנה הראשונה‪ .‬הצוות מהנדסת מכונות הוא בעל מומחיות בתכן כלי שייט ובהידרודינאמיקה של גלי‬ ‫ים‪ .‬הצוות ממדעי המחשב הוא בעל מומחיות בראיה ממוחשבת ובעיבוד תמונה ומתמצא גם בשילוב‬ ‫של חיישנים שונים להחלטות אופטימאליות‪ .‬בשנה השנייה נשקול הוספת חבר סגל בתחום בקרה‪.‬‬ ‫לשיתוף הפעולה יש הזדמנויות רבות‪ .‬למשל האלגוריתמים הספציפיים בעיבוד תמונה לגילוי צורת‬ ‫מים נשענים על ידע הידרודינמי ‪ ,‬אפיון מערכת הצילום נשען על פרמטרים של תנודת המצלמה‪,‬‬ ‫הטווח לגל וגודלו וכיו"ב‪ .‬הדורשים ידע על גלים כלי שיט‪ ,‬ההחלטה הסופית על צלילה דורשת את‬ ‫אפיון הוודאות של תוצר האלגוריתם‪ ,‬ועוד‪.‬‬ ‫ כאשר נגיע לבניית כלי שייט‬.‫תקציב המחקר – התקציב לשנה הראשונה מפורט בטופס מנל"מ‬ ‫ אנו מתכוונים לפנות לגורמים חיצוניים (למשל מפא"ת או גופים מסחריים) ולמסד שיתוף‬,‫מדגים‬ .‫פעולה‬ ‫מקורות‬ [1] N. Drimer and Y. Agnon. An improved low-order boundary element method for breaking surface waves. Wave Motion 43 (2006) 241–258, Elsevier. [2] O. Kimmoun, H. Branger, A particle image velocimetry investigation on laboratory surf-zone breaking waves over a sloping beach. Journal of Fluid Mechanics (2007), Volume: 588 Pages: 353-397 [3] G. Iglesias, O.Ibanez, A.Castro, J.R.Rabunal, J.Dorado, Computer vision applied to wave flume measurements, Ocean Engineering 36 (2009) 1073–1079 [4] N.J.W. Morris, K.N. Kutulakos, Dynamic Refraction Stereo, IEEE Transaction on Pattern Anal. Mach. Intell. 33(8), 1518-1531, 2011. [5] H. M.Wang, M. Liao, Q. Zhang, R. G. Yang, and G. Turk., Physically guided liquid surface modeling from videos, In Proceedings of ACM SIGGRAPH, pages 1–11, 2009. [6] A. Adam, I. Shimshoni and E. Rivlin, Aggregated Dynamic Background Modeling . IEEE International Conference on Image Processing (ICIP), 2006. [7] P. Tsai and M. Shah. Shape from shading using linear approximation. Image and Vision Computing, 12:487–498, 1994. [8] H. Sakaino. Motion estimation method based on physical properties of waves. In Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pages 1–8, 2008. [9] Rozenfeld, S., Shimshoni, I., and Lindenbaum, M.. Dense Mirroring Surface Recovery from 1D Homographies and Sparse Correspondences. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., 33(2):325–337, 2011.